WO2009108975A1 - GLEITLAGERLEGIERUNG AUS WEIßMETALL AUF ZINNBASIS - Google Patents

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Alexander Eberhard
Falco Langbein
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • C22C13/02—Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • F16C33/121—Use of special materials

Definitions

  • the invention relates to a tin-based white metal plain bearing alloy containing antimony as the main alloying element and 1 to 10% by weight of copper.
  • Tin-based plain bearing alloys are known (GB 2 146 354 A) containing 2 to 15% by weight of antimony, 1 to 10% by weight of copper, up to 15% by weight of lead and further alloying elements such as cadmium, nickel, silver, tellurium , Cobalt, magnesium, manganese and arsenic, wherein a content of 0.005 to 0.5 wt.% Titanium refine the microstructure of the bearing material and thus improve the carrying capacity of a sliding bearing.
  • the invention is therefore an object of the invention to increase the strength of a sliding bearing alloy of tin-based white metal of the type described without having to use polluting alloying elements such as cadmium, lead, arsenic and chromium.
  • the cadmium-, lead-, arsenic- and chromium-free white metal apart from unavoidable impurities, contains 4 to 30% by weight of antimony as the main alloying element, at least one element consisting of a cobalt, manganese, scandium and germanium-containing element group a total concentration of between 0.2 and 2.6% by weight, based on the elements used in this group, and at least one element of a magnesium, nickel, zirconium and titanium-containing element group in a total concentration of between 0.05 and 10 based on the elements used in this group 1, 7 wt.%, Wherein the sum content of antimony and copper at a minimum of three times the copper content corresponding antimony content is at most 35 wt.%. In both cases, the minimum content is the efficacy limit, the maximum content prevents extensive, due to their size and number already harmful excretions.
  • the alloying of cobalt, manganese, scandium and / or germanium advantageously achieves a refinement and a rounding off of the precipitated intermetallic phases.
  • Germanium also forms intermetallic compounds with free copper, which positively influences the strength of the alloy, provided that the size of the individual precipitates is kept low. Due to the primary crystallization of these higher melting elements, solidification of the white metal results in the formation of a large number of crystallization nuclei which considerably reduce the precipitation of the intermetallic phases with copper and antimony, thereby increasing their strength The tin matrix can be significantly improved without significantly affecting the deformability of the white metal.
  • the elements of the magnesium, nickel, zirconium and titanium-containing element group bind a part of the antimony in intermetallic phases, in particular at higher antimony contents, which counteracts an otherwise associated with a higher antimony content embrittlement.
  • Magnesium also has a strong deoxidizing effect. Excessive levels of magnesium, however, increase the susceptibility to corrosion, especially the pitting occurs.
  • Nickel is found in the copper-tin crystals and increases their hardness. However, it has no negative influence on the sliding properties of the alloy according to the invention. Nickel also improves corrosion resistance and reduces susceptibility to segregation. Contents above 5 wt.%, However, lead to embrittlement of the alloy due to the coating of large, hard phases.
  • Additions of zirconium in the stated contents have a strengthening effect on the matrix and serve for grain refining. Additions of titanium aid grain refining, thereby improving the bearing capacity of the plain bearing alloy, but its hardness remains almost unchanged.
  • An increased copper content solidifies the alloy because an intermetallic phase forms between antimony and copper. However, the copper content must not exceed the stated limit ratio because of the otherwise excessive formation of nadelfömiger copper-tin phases.
  • the white metal can additionally 0.6 to 1, 8 wt.%, Preferably 0.7 to 0.9 wt. % Zinc can be added. Zinc serves to refine the copper-tin and tin antimony phases by forming additional nuclei. This prevents growth of these phases to a harmful size.
  • Similar effects can be achieved by adding to the white metal at least one element from an elemental group comprising silver, gold, vanadium and iron, the individual parts of these alloying elements not exceeding 4% by weight.
  • the total amount must be limited to the top with 8% by weight.
  • the white metal may have an aluminum content of 0.05 to 2.5 wt.%.
  • the aluminum content must be limited to the top in order not to have to negatively impact the porosity of the white metal.
  • Silicon has a similar influence on the white metal. Excess silicon combines with zirconium and scandium to form intermetallic phases, preventing the formation of wave damaging primary silicon crystals. For this reason, silicon and aluminum are preferably added in hypoeutectic composition to avoid the formation of primary silicon crystals. It should therefore the aluminum and the silicon as a heterogeneous phase mixture are present, wherein the aluminum content corresponds to 7 to 45 times the silicon content.
  • the white metal In order to increase the strength properties of the white metal by intermetallic compounds, it is also possible to alloy lithium in a proportion of 0.05 to 1.6% by weight.
  • the addition of at least one rare earth metal may improve the casting properties of the white metal alloy and reduce the susceptibility to segregation.
  • these rare earths have a grain-refining effect.
  • the total concentration of the rare earths used may not exceed 1, 3 wt.%, If adverse effects are to be suppressed.
  • a plain bearing alloy with 15.4 wt.% Antimony, 4.6 wt.% Copper, 0.3 wt.% Manganese, 0.07 wt.% Cobalt, 0.1 wt.% Magnesium, 0, 05 wt.% Nickel and 0.7 wt.% Zinc, remainder tin.
  • This plain bearing alloy had a casting hardness of 36.1 HBW 2.5 / 15.625 / 15. Although the hardness fell off due to cold rolling, it could be increased again to 37.6 HBW 2.5 / 15.625 / 15 by a heat treatment, ie to a hardness above the casting hardness.

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Abstract

Es wird eine Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis beschrieben, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält. Um gute Festigkeitseigenschaften bei einer hohen Umweltverträglichkeit zu erreichen, ohne die tribologischen Eigenschaften zu gefährden, wird vorgeschlagen, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt.

Description

Gleitlaqerlegierunq aus Weißmetall auf Zinnbasis
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält.
Stand der Technik
Es sind Gleitlagerlegierungen auf Zinnbasis bekannt (GB 2 146 354 A), die 2 bis 15 Gew.% Antimon, 1 bis 10 Gew.% Kupfer, bis zu 15 Gew.% Blei und weitere Legierungselemente, wie Cadmium, Nickel, Silber, Tellur, Kobalt, Magnesium, Mangan und Arsen aufweisen können, wobei ein Gehalt von 0,005 bis 0,5 Gew.% Titan die Mikrostruktur des Lagerwerkstoffes verfeinern und damit die Tragfähigkeit eines Gleitlagers verbessern soll. Um die Belastbarkeit von ökologischen Weißmetalllegierungen zu steigern, wurde bereits vorgeschlagen (DE 101 45 389 C2), neben Antimon mit einem Anteil von 6 bis 15 Gew.% und Kupfer mit einem Anteil von 3 bis 10 Gew.% Wismut mit einem Anteil zwischen 0,1 und 18 Gew.% einzusetzen. Trotz dieser Maßnahme können diese bekannten, von umweltbelastenden Legierungsbestandteilen freien Gleitlagerlegierungen höheren Festigkeitsansprüchen nicht genügen, sodass bei höheren Anforderungen an die Belastbarkeit und an die Verschleißbeständigkeit häufig auf Lagermetalle auf Aluminiumbasis ausgewichen wird, obwohl beim Einsatz dieser Lagermetalle auf die hervorragenden Notlaufeigenschaften von Lagermetalllegierungen auf Zinnbasis verzichtet werden muss. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit einer Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis der eingangs geschilderten Art zu steigern, ohne umweltbelastende Legierungselemente, wie Cadmium, Blei, Arsen und Chrom, einsetzen zu müssen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1 ,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt. In beiden Fällen stellt der Mindestgehalt die Wirksamkeitsgrenze dar, der Maximalgehalt verhindert ausgedehnte, auf Grund ihrer Größe und Anzahl bereits schädigende Ausscheidungen.
Durch die Zulegierung von Kobalt, Mangan, Scandium und/oder Germanium wird in vorteilhafter Weise eine Feinung und eine Abrundung der ausgeschiedenen intermetallischen Phasen erreicht. Germanium bildet zudem intermetallische Verbindungen mit freiem Kupfer, was die Festigkeit der Legierung positiv beeinflusst, und zwar unter der Voraussetzung, dass die Größe der einzelnen Ausscheidungen gering gehalten wird. Durch die primäre Kristallisation dieser höher schmelzenden Elemente bilden sich bei der Erstarrung des Weißmetalls eine Vielzahl von Kristallisationskeimen, die die Ausscheidung der intermetallischen Phasen mit Kupfer und Antimon erheblich feinen, wodurch die Festigkeit der Zinnmatrix entscheidend verbessert werden kann, ohne die Verformbarkeit des Weißmetalls nennenswert zu beeinträchtigen. Die sonst in tribologisch ungünstiger Nadelform ausgeschiedenen Phasen von Kupfer-Zinn und die ebenfalls ungünstigen würfelförmigen Zinn-Antimonphasen werden vorteilhaft gerundet. Außerdem wird die Neigung zur Rissausbildung erheblich verringert. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass eine ausreichend rasche Erstarrung der Legierungsschmelze sichergestellt werden muss, um der Ausbildung von intermetallischen Kupfer-Zinn- und Zinn-Antimonphasen in Form von vergleichsweise langen Nadeln entgegenzuwirken.
Die Elemente der Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe binden insbesondere bei höheren Antimongehalten einen Teil des Antimons in intermetallischen Phasen ab, was einer sonst mit einem höheren Antimongehalt einhergehenden Versprödung entgegenwirkt. . Magnesium hat zusätzlich eine stark desoxidierende Wirkung. Zu hohe Gehalte an Magnesium steigern jedoch die Anfälligkeit für Korrosion, wobei besonders der Lochfraß auftritt. Nickel findet sich in den Kupfer-Zinnkristallen und steigert deren Härte. Es hat jedoch keinen negativen Einfluss auf die Gleiteigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung. Nickel verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit und verringert die Anfälligkeit für Seigerungserscheinungen. Gehalte über 5 Gew.% führen jedoch durch die Ausschedung großer, harter Phasen zum Verspröden der Legierung. Zugaben an Zirkon in den angegebenen Gehalten haben verfestigende Wirkung auf die Matrix und dienen der Kornfeinung. Zugaben von Titan unterstützen die Kornfeinung, wodurch die Tragfähigkeit der Gleitlagerlegierung verbessert wird, ihre Härte jedoch nahezu unverändert bleibt. Ein erhöhter Kupfergehalt verfestigt die Legierung, weil sich zwischen Antimon und Kupfer eine intermetallische Phase ausbildet. Der Kupfergehalt darf jedoch das angegebene Grenzverhältnis wegen der sonst übermäßigen Ausbildung nadelfömiger Kupfer-Zinnphasen nicht übersteigen.
Besonders vorteilhafte Belastungsbedingungen für Lagermetallschichten aus einer solchen Gleitlagerlegierung ergeben sich, wenn der Antimongehalt des - A -
Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt. Ein Optimum ergibt sich in dieser Hinsicht bei einem Antimongehalt von 13 bis 18 Gew.% und einem Kupfergehalt von 3,5 bis 5,5 Gew.%. Um der Gefahr der Ausbildung von nadeiförmigen Kupfer-Zinnphasen in einem für ein Lagermetall schädigenden Ausmaß aufgrund einer erhöhten Zugabe von Kupfer vorzubeugen, kann dem Weißmetall zusätzlich 0,6 bis 1 ,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.% Zink zulegiert werden. Zink dient durch die Bildung von zusätzlichen Kristallisationskeimen zur Feinung der Kupfer-Zinn- und Zinn- Antimonphasen. Dadurch wird ein Anwachsen dieser Phasen auf eine schädigende Größe verhindert. Unter 0,6 Gew.% Zink stellt sich keine positive Wirkung ein, über 1 Gew.% ist Zink nicht mehr im Zinnmischkristall gelöst, und es bildet sich zwischen Zinn und Zink eine niedrigschmelzende eutektische Phase (Tm ca. 200°C). Diese senkt die Warmfestigkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit.
Ähnliche Wirkungen können dadurch erzielt werden, dass dem Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Elementegruppe zulegiert wird, die Silber, Gold, Vanadium und Eisen umfasst, wobei die Einzelanteile dieser Legierungselemente 4 Gew.% nicht übersteigen dürfen. Der Summenanteil muss nach oben mit 8 Gew.% begrenzt werden.
Aluminium unterstützt die Feinung der auf Antimon und Kupfer beruhenden intermetallischen Phasen. Aus diesem Grunde kann das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzen. Der Aluminiumanteil ist nach oben zu begrenzen, um keinen negativen Einfluss auf die Porosität des Weißmetalls in Kauf nehmen zu müssen. Silizium hat einen ähnlichen Einfluss auf das Weißmetall. Überschüssiges Silizium verbindet sich mit Zirkon und Scan- dium zu intermetallischen Phasen und verhindert so die Ausbildung von wellenschädigenden primären Siiiziumkristallen. Aus diesem Grund werden Silizium und Aluminium vorzugsweise in untereutektischer Zusammensetzung zugegeben, um die Ausbildung von primären Siliziumkristallen zu vermeiden. Es soll daher das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, wobei der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.
Um die Festigkeitseigenschaften des Weißmetalls durch intermetallische Verbindungen zu steigern, kann auch Lithium mit einem Anteil von 0,05 bis 1 ,6 Gew.% zulegiert werden. Die Zugabe wenigstens eines Metalls aus der Gruppe der seltenen Erden kann schließlich die Gießeigenschaften der Weißmetalllegierung verbessern und die Anfälligkeit gegenüber von Seigerungen vermindern. Außerdem haben diese seltenen Erden eine kornfeinernde Wirkung. Die Gesamtkonzentration der eingesetzten seltenen Erden darf jedoch 1 ,3 Gew.% nicht übersteigen, wenn nachteilige Einflüsse unterdrückt werden sollen.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung beschrieben.
Beispiel 1:
Eine Gleitlagerlegierung aus 10,1 Gew.% Antimon, 3,1 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% Mangan, 0,08 Gew.% Scandium, 0,05 Gew.% Zirkon und 0,1 Gew.% Magnesium, Rest Zinn zeigte eine gute Verformbarkeit und eine Gusshärte von 30,0 HBW 2,5/15, 625/15.
Beispiel 2:
Zur Steigerung der Festigkeit wurde eine Gleitlagerlegierung mit 15,4 Gew.% Antimon, 4,6 Gew.% Kupfer, 0,3 Gew.% Mangan, 0,07 Gew.% Kobalt, 0,1 Gew.% Magnesium, 0,05 Gew.% Nickel sowie 0,7 Gew.% Zink, Rest Zinn hergestellt. Diese Gleitlagerlegierung wies eine Gusshärte von 36,1 HBW 2,5/15,625/15 auf. Durch ein Kaltwalzen fiel die Härte zwar ab, konnte durch eine Wärmebehandlung aber wieder auf 37,6 HBW 2,5/15,625/15 gesteigert werden, also auf eine Härte über der Gusshärte.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1 ,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt.
2. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt.
3. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 13 bis 18 Gew.% und der Kupfergehalt 3,5 bis 5,5 Gew.% beträgt.
4. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall 0,6 bis 1 ,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.%, Zink enthält.
5. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Silber, Gold, Vanadium und Eisen enthaltenden Elementegruppe aufweist, wobei der Einzelanteil dieser Legierungselemente höchstens 4 Gew.% ausmacht, der Summenanteil jedoch höchstens 8 Gew.% beträgt.
6. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzt.
7. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Siliziumanteil besitzt, wobei das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, und dass der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.
8. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Lithiumanteil von 0,05 bis 1 ,6 Gew.% aufweist.
9. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Metall der seltenen Erden in einer Gesamtkonzentration von höchstens 1 , 3 Gew.% enthält.
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